梯次循環（EC）在超超臨界1 000 MW機組工程應用與分析

陽 虹，余 炎，范世望，易小蘭，金益波，何海宇

梯次循環（EC）在超超臨界1 000 MW機組工程應用與分析

陽 虹1，余 炎1，范世望2，易小蘭2，金益波1，何海宇2

（1.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200240；2.上海汽輪機廠有限公司，上海 200240）

以廣東甲湖灣超超臨界1 000 MW一次再熱機組為例，對梯次循環（EC）的實際工程應用進行了研究。在相同邊界條件下，對常規循環和EC分別進行了熱力計算，并對EC的運行靈活性進行了分析。結果表明，采用EC可降低電廠設備投資，提高機組經濟性，在電廠運行方面無控制難點。EC適用于再熱蒸汽溫度600 ℃及以上的一次再熱、二次再熱項目，其成功應用為實現700 ℃超超臨界發電技術打下工程應用基礎。

熱力系統；梯次循環；超超臨界1 000 MW；BEST透平；熱耗；再熱

為了降低燃煤電站發電煤耗，國內新建火電機組大多采用大容量、高參數以及二次再熱等配置。隨著主蒸汽、再熱蒸汽溫度的大幅度提高，汽輪機的高中壓段，特別是再熱后加熱器（heater after reheat point，HARP）的抽汽溫度同步大幅度升高。以現有傳統的熱力系統為例，當再熱蒸汽溫度為620℃時，3段抽汽溫度可達到510~530℃；當再熱蒸汽溫度提高到700℃時，回熱抽汽溫度將超過620℃。這不僅造成極大的能級效率下降，同時對抽汽管道和加熱器的工作溫度等級提出了更高的要求，從而大幅度增加設備的制造成本，并危及運行的可靠性[1-2]。

目前電廠熱力系統設計中，給再熱后的回熱抽汽增設1～2個外置蒸汽冷卻器（外置蒸冷器），以利用回熱抽汽的過熱度。對于一次再熱機組，1個外置蒸冷器可提高給水溫度4～5 ℃，熱耗率收益11～14 kJ/(kW?h)；二次再熱機組可提高給水溫度9～11℃，熱耗率收益23～27 kJ/(kW?h)[3-4]：可見，外置蒸冷器方案解決了抽汽溫度高、能級效率低的問題。但當再熱蒸汽溫度提高到700℃時，上述方案不能解決加熱器的高溫風險問題，只不過將高溫由HARP后的加熱器轉移到外置式冷卻器中，高溫加熱器的可靠性及成本問題依然存在。

為此，上海汽輪機廠提出了一種新型雙機回熱抽汽蒸汽熱力系統[5]。該系統配置了一臺抽汽背壓式給水泵小汽輪機（back pressure extraction steam turbine，BEST透平）。BEST透平進汽來自高壓缸排汽，設計若干級抽汽和排汽為各級加熱器供汽。該系統采用非再熱蒸汽加熱給水，減少了回熱抽汽的過熱度，實現能量的梯級利用，因此稱為梯次循環（echelon cycle，EC）。BEST透平可直接驅動給水泵或帶1臺小發電機，驅動給水泵后多余的軸功率驅動小發電機發電。對于不同參數不同容量的機組以及BEST透平滿足的不同功能，EC熱力系統配置和經濟性收益也不盡相同[6-9]。本文以超超臨界1 000 MW一次再熱機組為例，說明采用EC后整個熱力系統在配置、熱耗率、運行等方面的變化。

1 EC對熱力系統參數及設備的影響

1.1 EC熱力系統概況

圖1為甲湖灣項目超超臨界1 000 MW一次再熱機組采用的EC熱力系統。系統共10級回熱抽汽，4高5低1除氧，其中1、2號高壓加熱器（高加）由汽輪機高壓缸供汽，3—6號加熱器由BSET透平供汽，7—10號低壓加熱器（低加）由汽輪 機低壓缸供汽，BEST透平僅驅動給水泵，不帶 小發電機。

BEST透平進汽來自汽輪機冷段再熱蒸汽，采用3抽1排汽，額定進汽量約550 t/h，出力約32 MW。由于BEST透平需同時滿足給水泵耗功和4級加熱器的用汽需求，在不同工況下，其用汽量和給水泵耗功不可能完全匹配，因此在6段抽汽設置溢流閥和補汽閥[10]，以調節進入6號低加的蒸汽流量。其中，補汽來自汽輪機中壓缸抽汽，溢流則排至7號低加。

圖1 采用EC的超超臨界1 000 MW機組熱力系統

1.2 采用EC后主要參數的變化

采用EC后，熱力系統參數有比較大的變化。表1為常規循環和EC這2種循環系統在額定工況下的主要數據對比。其中，常規循環也采用10級回熱，汽輪機中壓缸供4級回熱抽汽，3、4段抽汽設外置蒸冷器，最終給水溫度與EC相同，為308 ℃。

1.3 采用EC對各設備的影響

1.3.1對鍋爐的影響

由表1可見：采用EC后，3—6段抽汽的蒸汽焓值降低，回熱抽汽量增加，主蒸汽流量比常規循環增加了約100 t/h；由于BEST透平汽源為高壓缸排汽，進入鍋爐的再熱蒸汽量減少了約400 t/h，比常規循環小約17%。這可減小鍋爐再熱器換熱面積和熱段再熱蒸汽管道直徑，大幅降低電廠投資。對于二次再熱機組，收益將更加顯著。

1.3.2對汽輪機的影響

為實現10級回熱抽汽，常規循環的汽輪機中壓缸將承擔4級回熱抽汽，設4個抽汽口，其中包括凝汽式小汽輪機的用汽量（最大工況約176 t/h），這需要增加軸向尺寸，大大增加汽缸的設計和制造難度。而采用EC，汽輪機中壓缸只需設置6段抽汽的補汽口，可同時作為廠用輔助蒸汽汽源，最大抽汽量約60 t/h。由于無抽汽口，通流葉片可以根據最優焓降分配來設計，無抽汽壓力的限制和回熱抽汽的擾流，中壓缸效率可以提高約0.5%。

表1 常規循環和EC主要參數對比

Tab.1 Comparison of main parameters between the conventional cycle and EC

注：①為絕對壓力。

采用EC后，汽輪機的回熱抽汽量減少，低壓排汽量比常規循環增加約8%，排汽損失略有增加。可以采用更大排汽面積的末級長葉片和低壓缸，以維持末級排汽損失不變[11]。

1.3.3對加熱器的影響

由表1可見，EC對再熱后的加熱器影響最為明顯，3—6段抽汽的蒸汽溫度降低了100～200℃，最高運行溫度也在350℃以下，可大大降低加熱器、抽汽管道以及相關閥門的材料等級。由于回熱抽汽的過熱度降低，可取消常規循環中的外置蒸冷器，減少設備投資，提高運行安全性。

1.3.4對給水泵小汽輪機的影響

BEST透平需要承擔大量的回熱抽汽，進汽流量大幅增加；但排汽流量較小，僅約進汽流量的30%：因此進出口蒸汽容積流量差別不大。額定工況下，BEST透平進汽容積流量約24 m3/h，排汽約35 m3/h，葉片近似等通道設計。各級葉片均可采用合適的葉片高度和徑高比，從而達到較高的通流效率。同時，由于排汽面積小，與凝汽式小汽輪機相比余速損失較小，BEST透平缸效率可達到約90%。

2 經濟性收益分析

在進排汽參數和給水溫度相同的條件下，采用EC后汽輪機熱耗率可降低30～38 kJ/(kW?h)。其經濟性收益可分為以下幾個方面：

1）回熱系統優化 實際工程應用中，受再熱蒸汽壓力、中壓缸排汽壓力、末幾級標準葉片等因素限制，各級回熱抽汽壓力難以達到最優配置。采用EC后，3—6段抽汽壓力可以按優化熱力系統來選取[12-14]，本案例中可降低熱耗率4～6 kJ/(kW?h)。

2）能級利用 采用EC大大降低了再熱后回熱抽汽過熱度，提高了3—6號加熱器?效率[6]，與無外置蒸冷器方案相比可降低熱耗率約18 kJ/(kW?h)。對于采用外置蒸冷器方案，3、4號高加?效率也隨之提高，采用EC的熱耗率收益約2 kJ/(kW?h)。

3）小汽輪機效率提升 BEST進排汽參數均在葉片通流設計的最優范圍內，缸效率可達到90%左右。而目前凝汽式給水泵小汽輪機的效率最高約85%，這增加了10～12 kJ/(kW?h)機組熱耗率[15]。

4）汽輪機效率的變化 中壓缸取消回熱抽汽口，缸效率提高，低壓排汽流量增加，效率下降，在熱耗率方面基本持平。若采用更大的排汽面積，可進一步降低熱耗率，針對不同背壓和長葉片損失特性，采用EC的熱耗率收益預計5～18 kJ/(kW?h)。

需要指出的是，在具體工程項目中上述因素會相互關聯，相互制約，各方面收益不能簡單迭加。

3 EC的運行靈活性

BEST透平由于承擔了回熱抽汽，運行工況比凝汽式小汽輪機略為復雜。圖2是給水泵耗功和主蒸汽流量的關系曲線，其中汽輪機為帶補汽閥滑壓運行方式。從圖2可以看出，給水泵耗功與主汽流量呈非線性關系，而回熱抽汽量與主蒸汽流量基本為線性。因此，在非設計工況，BEST透平流量與給水泵耗功不能完全匹配。另外，為了滿足機組啟動以及加熱器切除等事故工況，系統需要配置額外的管道。圖3為與BEST透平相關的3—7段抽汽系統。除了正常工況排汽至6號低加，BEST透平還設置3路管道：1）BEST透平排汽溢流管道，至 7號低加；2）6號低加補汽管道，來自汽輪機中壓缸；3）BEST透平排汽旁路管道，至凝汽器。

3.1 正常運行工況

額定設計工況下，BEST透平排汽基本滿足 6號低加回熱用汽；高負荷工況下，給水泵耗功增幅較大，當BEST透平排汽量超過6號低加回熱抽汽量時，打開管道1，多余排汽溢流至7號低加；低負荷工況則相反，打開管道2，從汽輪機的中壓缸抽出部分蒸汽作為6號低加的補充汽源。

圖2 給水泵耗功與主蒸汽流量關系

圖3 BEST透平相關的3—7段抽汽系統

3.2 啟動和停機

EC啟動過程與常規循環類似，由電泵啟動至約30%負荷，滿足沖轉條件后，啟動BEST透平，打開管道3，排汽至凝汽器。當電泵切換至汽泵且穩定運行后，BEST透平排汽切換至6號低加，按壓力從低到高逐級投入各加熱器。如采用汽泵啟動，需配置1.5 MPa（絕對壓力）以上的輔助汽源。

正常停機時，先切除各級加熱器，再逐步停機。汽輪機甩負荷工況，旁路迅速打開，維持BEST透平的進汽參數，以提供鍋爐最低流量，等故障排除后，汽輪機重新啟動帶負荷。

3.3 加熱器故障工況

當6號低加故障切除時，為不影響7號低加的正常運行，可打開管道3上的旁通閥，使BEST透平排汽至凝汽器，根據當時的運行情況關閉溢流管道上的溢流閥或補汽管道的補汽閥。如果6號低加需要長期切除，待系統穩定后，運行人員可以手動調節排汽溢流閥，使一部分排汽進入7號低加，提高運行經濟性。

當7號低加故障切除時，6號低加的用汽量大幅增加。如果BEST透平運行在排汽溢流工況，則關閉溢流閥；如果BEST透平排汽量仍不能滿足6號低加，則打開中壓缸抽汽口管道的補汽閥；如果BEST透平運行在該補汽閥開啟狀態，只要繼續開大閥門，增加中壓缸抽汽量。

其他加熱器切除工況與常規循環相同。

綜上分析可見，通過在BEST透平排汽配置相關管道，可以解決不同負荷下BEST透平出力與回熱抽汽量的匹配問題，同時滿足機組啟動、停機、加熱器切除等特殊工況，保證了EC的運行靈活性。

4 示范項目的運行情況

廣東陸豐甲湖灣電廠一期工程2×1 000 MW超超臨界機組為我國首個EC項目。該機組汽輪機主蒸汽壓力28 MPa，主蒸汽溫度600 ℃，再熱蒸汽溫度620 ℃，排汽壓力4.8 kPa，末級葉片高度1 220 mm，汽輪機設計熱耗7 121 kJ/(kW?h)。甲湖灣電廠2臺機組分別于2018年11月和2019年4月順利通過168 h試運行，各方面指標優良。

在機組性能方面，根據2號機組焓降試驗結果，在700 MW負荷下（此時BEST透平排汽進入過熱區，可以實測效率），BEST透平的通流效率達到92%以上。按設計效率曲線推算，額定負荷調節閥全開工況下，BEST透平的缸效率大于91%。同時汽輪機的中壓缸實測效率也達到94.5%，創國內超超臨界1 000 MW等級機組中壓缸效率新高。

在運行穩定性方面，BEST透平從沖轉至額定轉速，轉速控制穩定，軸振優良。在升負荷過程中，完成了電泵-汽動泵切換、排汽切換、加熱器投入等步驟，BEST透平的各排汽控制閥門與進汽調節閥聯動，邏輯合理，控制精度高。

在安全性方面，BEST透平在沖轉過程中進行了手動跳機、超速跳機等試驗，保護響應迅速穩定。汽輪機進行了100%→60%甩負荷，50%→0%甩負荷，100%→0%超甩負荷等試驗。在BEST透平供汽的加熱器切除試驗中，BEST透平進汽調節閥、排汽溢流閥、6號低加補汽閥、排汽旁通閥等動作聯鎖正常，確保機組運行安全可靠性。

5 結 論

1）采用EC可降低熱耗率30～38 kJ/(kW·h)，折合煤耗1.0～1.4 g/(kW·h)。對于二次再熱和進汽溫度700 ℃機組，收益將更加顯著。

2）采用EC大幅降低再熱后抽汽管道及加熱器的溫度，取消外置蒸冷器，減少設備投資；同時再熱流量比常規循環減少約17%，可降低再熱系統造價。

3）通過在BEST透平排汽設置溢流、補汽和旁通管道，可以滿足EC的正常運行、啟動停機及加熱器事故工況要求，不增加控制難度，可保證機組運行安全性、靈活性。

4）甲湖灣電廠一期工程是國內首個EC示范項目，其成功投運為下一代700 ℃超超臨界火電機組儲備關鍵技術。

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Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit

YANG Hong1, YU Yan1, FAN Shiwang2, YI Xiaolan2, JIN Yibo2, HE Haiyu2

(1. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd., Shanghai Turbine Plant, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Turbine Plant Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

By taking the ultra-supercritical 1 000 MW single reheat unit at Guangdong Jiahuwan bay as an example, the actual engineering application of echelon cycle (EC) was studied. Under the same boundary conditions, thermal calculation of the conventional cycle and EC were carried out, and operation flexibility of the EC was analyzed. The results show that, using EC can reduce the equipment investment of power plants, improve the unit economy, and have no control difficulties in plant operation. The EC is applicable to power units with single-reheat/double-reheat with reheat temperature of 600 ℃ and above, and its successful application lays the foundation of engineering application for 700 ℃ ultra supercritical power generation technology.

thermal system, echelon cycle, ultra-supercritical 1 000 MW, BEST turbine, heat rate, reheat

Scientific and Research Planning Project of Shanghai Science and Technology Committee (15dz1206400)

TK262

B

10.19666/j.rlfd.201907169

陽虹, 余炎, 范世望, 等. 梯次循環（EC）在超超臨界1 000 MW機組工程應用與分析[J]. 熱力發電, 2019, 48(12): 129-133. YANG Hong, YU Yan, FAN Shiwang, et al. Application and analysis of echelon cycle in ultra supercritical 1 000 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 129-133.

2019-07-30

上海市科學技術委員會科研計劃項目(15dz1206400)

陽虹(1972)，女，教授級高級工程師，主要從事汽輪機產品研制與企業管理工作，yanghong@shanghai-electric.com。

（責任編輯 劉永強）